Integration of broadband direct-conversion quadrature modulators

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (monograph)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2006-12-08
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
119
Series
TKK dissertations, 56
Abstract
To increase spectral efficiency, transmitters usually send only one of the information carrying sidebands centered around a single radio-frequency carrier. The close-lying mirror, or image, sideband will be eliminated either by the filtering method or by the phasing method. Since filter Q-values rise in direct relation to the transmitted frequencies, the filtering method is generally not feasible for integrated microwave transmitters. A quadrature modulator realizes the phasing method by combining signals phased at quadrature (i.e. at 90° offsets) to produce a single-sideband (SSB) output. In this way output filtering can be removed or its specifications greatly relieved so as to produce an economical microwave transmitter. The proliferation of integrated circuit (IC) technologies since the 1980s has further boosted the popularity of quadrature modulator as an IC realization makes possible the economical production of two closely matched doubly balanced mixers, which suppress carrier and even-order spurious leakage to circuit output. Another strength of IC is its ability to perform microwave quadrature generation accurately on-chip, and thereby to avoid most of the interconnect parasitics which could ruin high-frequency quadrature signaling. Nevertheless, all quadrature modulator implementations are sensitive to phasing and amplitude errors, which are born as a result of mismatches, from the use of inaccurate differential signaling, and from inadequacies in the phasing circuitry itself. A 2° phase error is easily produced, and it reduces the image-rejection ratio (IRR) to −30 dBc. Therefore, as baseband signals synthesized by digital signal processing (DSP) are sufficiently accurate, this thesis concentrates on analyzing and producing the microwave signal path of a direct-conversion quadrature modulator with special emphasis on broadband, multimode radio-compatible operation. A model of the direct-conversion quadrature modulator operation has been developed, which reveals the effect the circuit non-linearities and mismatch-related offsets have on available performance. Further, theoretical proof is given of the well-known property of improving differential signal balance that cascaded differential pairs exhibit. Among the practical results, a current reuse mixer has been developed, which improves the transmitted signal-to-noise-ratio (SNR) by 3 dB, with a maximum measured dynamic range of +158 dB. The complementary bipolar process was further used to extend the bipolar push-pull stage bandwidth to 9.5 GHz. At the core of this work is the parallel switchable polyphase (PP) filter quadrature generator that was developed, since it makes possible accurate broadband IQ generation without the high loss that usually results from the application of PP filtering. Two IQ modulator prototypes were realized to test simulated and theoretically derived data: the 0.8 µm SiGe IC achieves an IRR better than −40 dBc over 0.75-3.6 GHz, while the 0.13 µm digital bulk CMOS IC achieves better than −37 dBc over 0.56-4.76 GHz. For this IRR performance the SiGe prototype boasts the inexpensive solution of integrated baluns, while the CMOS one utilizes a coil-transmission line hybrid transformer at its LO input to drive the switchable PP filters.

Taajuuksien käytön tehostamiseksi lähettimet lähettävät yleensä vain toisen informaatiota sisältävistä sivukaistoistaan yhdelle radiotaajuuksiselle kantoaallolle keskitettynä. Viereinen peilitaajuus eli sivukaista vaimennetaan joko suodattamalla tai vaiheistamalla signalointia sopivasti. Koska suodattimen hyvyysluvut nousevat suorassa suhteessa käytettyyn taajuuteen, ei suodatusmenetelmä ole yleensä mahdollinen mikroaaltotaajuusalueen lähettimissä. Kvadratuurimodulaattori toteuttaa vaiheistusmenetelmän yhdistämällä 90-asteen vaihesiirroksin vaiheistetut signaalit yksisivukaistaisen lähetteen tuottamiseksi. Näin voidaan korvata lähdön suodatus joko kokonaan tai lieventämällä vaadittavia suoritusarvoja, jolloin mikroaaltoalueen lähetin voidaan tuottaa taloudellisesti. Integroitujen piiriratkaisujen yleistyminen 1980-luvulta lähtien on edesauttanut kvadratuurimodulaattorin suosiota, koska integroidulle piirille voidaan taloudellisesti tuottaa kaksi hyvin ominaisuuksiltaan toisiaan vastaavaa kaksoisbalansoitua sekoitinta, ja nämä tunnetusti vaimentavat kantoaaltovuotoa ja parillisia harmoonisia piirin lähdössä. Toinen integroitujen piirien vahvuus on kyky tarkkaan mikroaaltoalueen kvadratuurisignalointiin samalla piirillä, jolloin vältetään suurin osa kytkentöjen parasiittisista jotka muutoin voisivat tuhota korkeataajuuksisen 90-asteen vaiheistuksen. Kaikki kvadratuurimodulaattorit ovat joka tapauksessa herkkiä vaiheistus- ja amplitudieroille, joita syntyy komponenttiarvojen satunnaishajonnasta, epätarkan differentiaalisen signaloinnin käytöstä, ja itse vaiheistuspiiristön puutteellisuuksista. Kahden asteen vaihevirhe syntyy helposti, ja tällöin sivukaistavaimennus heikkenee -30 dBc:n tasolle. Tämänvuoksi, ja olettaen että digitaalisella signaaliprosessorilla luotu kantataajuuksinen signalointi on riittävän tarkkaa, tämä väitöskirja keskittyy kvadratuurimodulaattorin mikroaaltotaajuuksisen signaalipolun analysointiin ja tuottamiseen painottaen erityisesti laajakaistaista, monisovellusradioiden kanssa yhteensopivaa toimivuutta. Kvadratuurimodulaattorin toimintamallia on kehitetty siten, että mallissa huomioidaan epälineaarisuuksien ja piirielementtien satunnaishajontojen vaikutus saavutettavalle suorituskyvylle. Lisäksi on teoreettisesti todistettu sinänsä hyvin tunnettu peräkkäin kytkettyjen vahvistinasteiden differentiaalisen signaloinnin symmetrisyyttä parantava vaikutus. Käytännön tuloksista voidaan mainita kehitetty virtaakierrättävä sekoitin, joka parantaa signaali-kohinasuhdetta +3 dB, suurimman mitatun dynaamisen alueen ollessa +158 dB. Samaa komplementaarista bipolaariprosessia käytettiin edelleen bipolaarisen vuorovaihe-asteen kaistan levittämisessä 9.5 GHz:iin. Yhtenä tämän työn tärkeimmistä tuloksista on kehitetty kytkimin valittavista rinnakkaisista monivaihesuodattimista koostuva kvadratuurigeneraattori, jolla on mahdollista tuottaa laajakaistaista IQ-signalointia ilman suurta häviötä joka yleensä liittyy monivaihesuodattimien käyttöön. Kaksi IQ-modulaattoriprototyyppiä toteutettiin simuloitujen ja teoreettisesti mallinnettujen tulosten testaamiseksi: 0.8 µm SiGe integroitu piiri saavuttaa paremman sivukaistavaimennuksen kuin -40 dBc yli 0.75-3.6 GHz, kun taas 0.13 µm digitaalipiirien tuottamiseen tarkoitetulla CMOS prosessilla toteutettu integroitu piiri saavuttaa paremman sivukaistavaimennuksen kuin -37 dBc taajuusalueella 0.56-4.76 GHz. Näihin sivukaistavaimennuksiin SiGe prototyyppi pääsee edullisesti integroiduin symmetrointimuuntajin, kun taas CMOS piirillä käytetään kela-siirtojohto-tyyppistä yhdistelmämuuntajaa LO-sisääntulossa josta ajetaan erikseen kytkettäviä monivaihesuodattimia.
Description
Keywords
SSB transmitter, direct-conversion quadrature modulator, SiGe, digital CMOS, microwave frequencies, yksisivukaistainen lähetin, suoramuunnos kvadratuurimodulaattori, SiGe, digitaali-CMOS, mikroaaltotaajuusalue
Other note
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-008660